Kredit:Pixabay/CC0 Public Domain
För att bättre förstå vad som driver biologisk mångfald på jorden har forskare historiskt sett på genetiska skillnader mellan arter. Men detta ger bara en del av bilden. Egenskaperna hos en viss art är inte bara resultatet av dess gener utan också de proteiner dessa gener kodar för. Att förstå skillnaderna mellan arternas proteom - eller alla proteiner som kan uttryckas - är därför lika viktigt som att förstå skillnader mellan genom.
I en ny studie har Yale-forskare jämfört proteomerna i hudceller från 11 däggdjur, vilket, de säger, kommer att hjälpa forskare att förstå de molekylära drivkrafterna bakom biologisk mångfald och hur dessa faktorer har utvecklats över tiden.
De fann att medan många proteiner är lika varierande både över och inom arter, är vissa mer varierande mellan arter, vilket ger ledtrådar om vilka proteiner som kan vara viktigare i däggdjursutveckling. Arbetet kan också hjälpa forskare att förstå varför vissa arter är mer resistenta mot cancer.
Deras resultat publicerades den 9 september i Science Advances .
"För att förstå biologisk mångfald, tillsammans med att veta hur DNA är olika mellan olika arter, kanske du också vill veta hur arter beter sig, utvecklas och ser olika ut", säger Günter Wagner, Alison Richard professor emeritus i ekologi och evolutionär biologi .
Och dessa attribut – hur en art ser ut, beter sig och utvecklas – tros vara närmare relaterade till proteinnivåer än till DNA, förklarade Yansheng Liu, biträdande professor i farmakologi vid Yale School of Medicine.
Att jämföra proteinmängder mellan olika arter har dock varit svårt, eftersom tekniken för att göra storskaliga analyser inte har funnits. Men Liu har tillämpat en metod som kallas dataoberoende insamlingsmasspektrometri som nu tillåter forskare att utföra den här typen av arbete.
"Det är ett konceptuellt och tekniskt genombrott som låter oss arbeta på denna högre, mer funktionellt relevanta nivå", sa Wagner.
Liu är medlem i Yale Cancer Biology Institute och Wagner är medlem i Systems Biology Institute, båda belägna på Yales västra campus. Det var där, under ett cancersystembiologisymposium de båda deltog i, som deras samarbete började.
För studien kvantifierade forskarna alla proteiner som uttrycks i hudceller från 11 däggdjursarter:kaniner, råttor, apor, människor, får, kor, grisar, hundar, katter, hästar och opossums.
Analysen, fann de, gav information som inte kunde erhållas med andra tekniker. Till exempel, medan tidigare forskning har tittat på skillnader i mRNA - det genetiska materialet som används för att skapa proteiner - fann de att mätning av proteiner gav ytterligare information som inte kunde fångas genom att analysera mRNA enbart, eftersom mRNA bara är ett indirekt mått på proteinöverflöd .
En sträng av mRNA bär koden för att skapa ett protein. Och medan enstaka proteiner kan ha en viss funktion, kan proteiner också interagera med varandra och fungera som grupper, förklarade Liu. Att bara titta på mRNA ger inte den informationen.
"Vi fann att, särskilt för vissa proteinklasser, är proteinförhållandet till mRNA mycket lågt", säger Liu. "Det betyder att enbart mRNA-profilen skulle vara vilseledande."
Teamet tittade sedan på proteinvariation både mellan arter och mellan individer inom samma art, och fann att för de flesta proteiner var nivåer som var mer varierande mellan individer också mer varierande mellan arter. Men det fanns några proteiner som inte passade in i den trenden. Till exempel var proteiner relaterade till celldelning och RNA-metabolism mer varierande mellan arter än mellan individer av en art (människor, i detta fall). Detta tyder på att dessa funktioner spelar en särskilt viktig roll i däggdjursutveckling, sa forskarna.
"Inter-species kontra inter-individuella skillnader är mycket intressant ur en evolutionär synvinkel," sade Wagner. "Att jämföra de två ger oss en uppfattning om hur mycket variation som tolereras inom en art och vi kan använda den informationen för att förutsäga kapaciteten för evolution."
Slutligen jämförde forskarna proteinborttagningssystem mellan arter. Det finns två huvudsystem som är ansvariga för att ta bort proteiner i celler, och de fann att det ena var likt mellan olika arter medan det andra uppvisade en hel del variation mellan de olika däggdjuren.
Denna proteinomsättning avgör hur snabbt en cell kan ändra sitt tillstånd, tillade Wagner. "Om en ny signal kommer in måste cellen kasta ut de proteiner som var nödvändiga för dess tidigare tillstånd och skapa nya", sa han.
Och hur snabbt en cell ändrar tillstånd kan vara relevant för cancer.
"Friska celler kan påverkas av närliggande cancerceller", säger Wagner. "Det kommer att vara viktigt att förstå om proteinomsättningshastigheten är relaterad till hur reaktiva celler är till påverkan från tumörceller. Kanske har arter som är mer motståndskraftiga mot cancer, som hovdjur som kor och grisar, celler som har mindre förmåga att ändra tillstånd och mindre mottagliga för signalerna från cancerceller."
Och att förstå cancersårbarhet är bara en potentiell tillämpning av detta arbete, sa forskare. Till exempel kan de börja korrelera proteinskillnader med alla andra egenskaper som skiljer sig mellan arter, säger Liu.
Proteiner är föremål för kemiska modifieringar, som uppstår när andra molekyler fäster till ett protein och aktiverar eller deaktiverar det. Och dessa modifieringar bidrar till egenskaper som skiljer sig mellan och inom arter eftersom de spelar en stor roll som påverkar proteinfunktionen. Forskarna bedömde en typ av modifiering i denna studie, fosforylering, att finna variationer i fosforyleringsnivåer var för det mesta inte relaterade till variationer i proteinöverflöd, vilket gav ytterligare ett lager av förståelse om vad som driver biologisk mångfald. Forskarna kommer att fortsätta att bedöma andra modifieringar i framtida arbete.
"Det kommer att ge en mer komplett bild", sa Liu och tillade att biologiska variationer mellan arter och individer är det som formar den biologiska mångfalden på jorden. "Att mäta skillnaderna i både proteiner och modifierade proteiner mellan arter kommer att främja vår förståelse av biologisk mångfald på molekylär nivå." + Utforska vidare
